专利名称：在加速的tsa循环中预净化空气的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于预净化要随后通过低温方法分馏的空气的TSA方法。
背景技术：
传统上，要用低温方法蒸馏的空气需要让其通过设置在空气预净化装置的一个或多个吸附区中的一个或多个吸附剂块而预先进行干燥、除二氧化碳以及至少部分地去除所包含的二次大气污染物，例如碳氢化合物、氮氧化物或类似物质。
该方法通常称作空气预净化方法或简称为头净化方法(headpurification method)。
这种预净化的主要目的在于保留并去除可能存在于气流中的各种大气杂质，直到无论装置的性能水平或安全性(要求)，获得的内容物都适合被供给此空气的低温装置进行令人满意的操作。
实际上，假如不经过这种预处理，在空气冷却到低温温度期间这些杂质会发生凝结和/或凝固，由此可能导致装置堵塞的问题，特别是对于热交换器、蒸馏塔等。
要去除的主要杂质包括二氧化碳和水蒸气，它们总是存在于空气中并且在达到大约-180℃至-193℃的低温温度之前凝固，因为水蒸气在大约0℃就开始凝固成冰，二氧化碳在其三倍压力下温度低于-56℃时并且在其空气中的局部压力下温度在大约-130℃时结晶。
此外，习惯上还至少部分地去除空气中不可避免存在的所谓二次杂质，例如某些饱和或不饱和的碳氢化合物(CnHm)以及氮氧化物(NxOy)，以避免这些物质在下游的低温分离装置的低温室中达到任何可能导致危险的浓度，尤其是要绝对防止它们在该低温分离装置的液氧气化室中的浓度达到使装置的操作安全性在没有其它预防措施的情况下得不到保证的程度。
为了达到这个目的，预净化方法可以利用位于一个或多个通常被称作吸附柱的吸附器中的一个或多个吸附床。
用于去除这些杂质的吸附剂特别是指可交换性或不可交换性沸石，硅胶，活性和/或有添加剂的氧化铝，或上述各种物质的化合物或混合物。
某些吸附剂除了活性相之外还可能含有不定量的粘合剂，特别用于加强吸附剂颗粒的机械强度，例如其耐磨耗性。
工业吸附剂通常是珠粒形状，基本球形，卵形或椭球形，或是诸如挤出物之类的杆状，或是更复杂的形状。
这些珠粒的直径(或者在杆状情况下的等效尺寸)通常在1.5到4毫米之间，优选在2至3毫米之间。
某些颗粒是由两种或更多种吸附剂混合而成，例如两种或更多种相同类型化合物的混合物，比如Nax型沸石和NaLSX型或CaX型沸石的混合物，X型沸石和A型沸石的混合物；或者由两种或更多种不同类型的化合物混合而成，比如沸石和活性氧化铝的混合物。
类似地，吸附床可由单一类型的吸附剂形成，或者由两种或更多种不同吸附剂以不同比例以并排或叠置分布的形式，或以紧密混合的形式形成。
此外，根据不同情况，吸附器可以具有一垂直或水平轴线，或者可以是放射型，即，要净化的气流在吸附器中或者沿垂直方向流动(垂直向下流动)，或者沿水平方向流动(从左向右或从右向左流动)，或者向心流动(呈放射状向吸附器轴线流动)，或者离心流动(呈放射状从吸附器轴线向外流动)。
当流体特别是气体流经具有自由表面的吸附剂块时，需要确保流动速度保持低于驱使吸附剂颗粒运动的速度，以避免或减小对吸附剂颗粒的任何磨损或机械腐蚀。
这一要求通常决定了吸附器的横截面，传统上指吸附器的直径。
然而，这一要求不再适用于特别是放射型吸附器的情况，或吸附剂块被特定装置例如格栅保持住的任何其它类型的吸附器。实际上在这种情况下，吸附器采用的截面尺寸只取决于经济上优化的结果，这种优化是指装置成本和与系统压降直接相关-更小程度来说是与死体积(死空，deadvolume)-直接相关的能耗之间的优化。
通常，吸附剂块在吸附器中通过加热和/或气流刷(气流洗)循环再生，以便在下一个吸附阶段再次使用。
目前，有两种方法特别用于该目的，即，通过压力变化或压力效应提供大部分再生能量的PSA(Pressure Swing Adsorption，变压吸附)方法，以及通过温度效应提供再生能量的TSA(Temperature Swing Adsorption，变温吸附)方法。
在相对较少的情况下，上述两种方法的混合方案也用于该目的，在文献US-A-5 614 000中特别提到了这种混合方案。
TSA方法的空气预净化周期通常包括下列步骤a)将空气送入一个吸附器中，通过在超大气压和接近环境温度即通常在0℃到大约40℃之间的条件下吸附杂质以净化空气，b)吸附器中的压力下降至再生气体的压力水平，通常为大气压，c)特别通过废气，典型地从空气分离装置中排出或由一个或多个热交换器加热至环境温度以上的处于大气压条件下的不纯净氮气，在低于吸附压力的情况下对吸附剂进行再生恢复。由于上游所使用的方法，例如，由于压力蒸馏在再生下游使用的再生气体被再压缩，再生气体也可处于压力实质上高于大气压的状态。在这种情况下，可考虑一个相对短暂的阶段，在该阶段期间通过将再生气体的压力降低到大气压来实现再生步骤，d)特别通过向吸附器内不断注入由空气分离装置排出但未被加热的所述废气将吸附剂冷却至环境温度或低于环境温度，e)利用例如从另一个目前处于工作阶段的吸附器或从一个储藏容器释放出的净化过的空气重新增大吸附器的压力。空气中的氮被一个或多个吸附剂所吸附，使在增压阶段吸附器内存在的气体温度升高。温度的升高取决于氮的吸附释放出的能量大小，也即取决于被吸附的氮气的数量，而被吸附的氮气的数量本身取决于再生和吸附条件，f)反转吸附器。在本步骤中，以热量形式存在于吸附器中的能量随着气流释放出来，使得吸附器出口的温度有一个短暂的升高(温度峰值)。该温度峰值的大小和持续时间取决于增压阶段贮存的能量的量以及空气经过吸附器的流速。
在预净化装置之前可有一可选步骤，即通过例如一个(或多个)冷水换热器，机械冷冻装置，或任何其它类似系统预冷却要被净化的空气。
PSA空气预净化周期包括基本上相同的步骤a)，b)和e)，但与TSA方法的区别在于，PSA方法在再生步骤(步骤c)中不存在废气的加热，从而也不存在步骤d)。
在相对较少的情况下，再生可在与大气压力基本不同的压力下进行，或者如已经提到的(通常在TSA方法中)高于大气压力，或者在这种情况下利用适当的真空泵装置使其低于(通常在PSA方法中)大气压力。
类似地，当空气分离装置中的有用气体是氮气时，废气可能是含有大量氧气的气体，因为在这种情况下氧气是未用过的废产品。
通常，空气预处理装置包括两个吸附器，这两个吸附器交替工作，也就是说，当一个吸附器处于生产阶段时另一个吸附器处于再生阶段。
在文献US-A-3 738 084和US-6 093 379中具体说明了这种TSA空气净化方法。
在空气预净化方法中，循环时间被定义为吸附阶段和再生阶段持续时间的总和。
通常，对于存在两个吸附器连续生产的循环，吸附时间是循环时间的一半。
在一个PSA循环中，吸附时间为大约3到30分钟，而在一个TSA循环中，吸附时间是大约2到8个小时。
在PSA循环中使用的吸附剂体积通常低于TSA循环，这是由于循环时间缩短的影响，也就是说，每个阶段要被吸附的杂质的较少数量，其影响超过吸附剂只有部分再生这一事实，而部分再生等效于较低的杂质吸附能力。
此外，PSA方法不需要加热或冷却，因为PSA的再生是通过在环境温度下的气流冲刷进行的。
然而，PSA方法的缺点在于其再生需要较高的气体流量。这样，作为一个初步的估算，冲刷吸附床以完全解吸杂质所需要的气体体积必须相当于在吸附阶段所处理的气体体积的n倍。考虑到实际情况与理想情况之间的偏差，n的值为大约1.15至1.35。
因此，如果流量为100sm3/h(标准立方米每小时)绝对压力为5bar的气体被净化10分钟，为了在绝对压力为1.25bar的条件下在7分钟内(另外3分钟用于降压和再压缩)再生吸附剂，则需要的再生气体的流量大约为100×1.25/5×10/7×1.25＝45标准立方米每小时，这个值等于吸附气体流量的45％。
在更有利的条件下，例如，在一个更高的吸附压力下，这个比例能有所减小，但对于大多数的空气分离装置，这个比例的范围通常在30％到50％之间。
对于TSA方法而言，通常由以前加热过的再生气体传递给吸附剂的热量的形式来提供解吸能量。
这样，TSA中所需的气体量就大大减少了，根据采用的温度水平和循环的具体参数，这个量大约是要处理的气体流量的5％到25％。
由此可以看出，PSA和TSA方法的选择通常取决于可获得的再生气体的数量。
因此，用于生产高比例的浓缩产品即氧气，中压和低压的氮气等的空气分离装置将产生极少量的废气，通常是不纯的低压氮气，因而有必要采用TSA型头净化方法。
反之，用于生产单一产品例如氧气或中压氮气的空气分离装置将产生足够的废气量以采用PSA型系统。
对于TSA型装置，近期发展主要集中在降低装置的成本(吸附器工艺，吸附剂的选择等)，或最小化再生气体流量以便在低温空气分离装置的低温室内生成更多纯净产品(吸附剂的选择等)。
理论上可以缩短TSA净化方法的循环时间，进而减少所需吸附剂的体积，但是这样做会导致再生气体流量的增加。
再生气体流量的增加是源于系统中的各种热惯性，与循环时间以及加热和冷却步骤的持续时间无关，其中加热和冷却步骤的持续时间与循环时间没有直接的比例关系。
实际上，在开始将吸附床有效加热至所需的温度水平之前，有必要考虑加热器本身的热惯性和热损失，连接管道及其支承装置即阀门和仪表等的加热，吸附器边角以及可选的维护或过滤系统的加热。
由于上述各系统组件的尺寸取决于需要处理的气体和/或再生气体的流量，因此当预净化循环时间缩短时，它们的尺寸保持不变或是增大。
类似地，对于冷却操作，除了吸附剂部分的冷却，还需要考虑到吸附器上下游的其它元件的冷却。
同样，需要降压然后再增压的体积量与吸附剂的体积不成正比，因为在吸附器的边角和管道直到截流阀中还存在着不可忽略的，实际上是大量的“死”体积。
实际上，对于总量为3个小时的再生时间来说，其中只有2个小时的有效时间用于加热吸附剂，解吸杂质以及冷却。
为了获得较短的2小时吸附(以及再生)的循环时间，必须将所需的气体流量提高大约一倍。
然而，由上所述，这样的气体流量通常是无法获得的，因为若能得到如此高的气体流量，基本上就应该选择PSA循环来代替TSA循环了。
此外，有效热量的比例会降低，因为与管道、阀门、测量与控制仪器以及吸附器边角相关的金属质量保持恒定，而由于循环时间的缩短，吸附剂和要被解吸的杂质的质量却减少了，这就相当于极大地增加了整个净化方法的能耗。
增加再生气体流量所导致的另一个缺点在于系统压降的增大，这样还增加了能耗，除非吸附器的直径增加，而这样又会增加系统的热惯性和死体积等。
显然，迄今为止对TSA循环进行的一切潜在的改进措施都直接或间接地需要降低再生所需的气体流量。
为了达到这个目的，已经提出许多有效地为吸附床提供热量的方法。
因而，文献EP-A-766989提出通过部分PSA类型的操作来只加热吸附床的一部分。
另外，文献EP-A-815920说明了在吸附器中部引入热量脉冲。
此外，文献EP-A-884085提出一种涉及吸附剂内部加热的方法。
还值得一提的是文献US-A-4 312 641利用微波提供解吸所需要的能量；文献US-A-40 94 652建议用电流来电解吸被吸附剂保留的杂质；文献US-A-2003/00337672宣称将吸附剂安装在热交换器的管子里，从而使传统的6个小时的循环时间缩短到2个小时。
根据上文所述，问题在于如何改进现有的空气预净化方法，在继续保持简单、廉价的加热系统即使用标准的电加热器或蒸汽加热器，以及与纯净产品即氧气、氮气和/或氩气所需产量相适应的再生气体流量的情况下，大大缩短TSA预净化循环，尤其是减少循环时间和吸附剂的用量。
发明内容
相应地，本发明提供的解决方案是一种通过使用两个并行、交替并且在TSA循环中操作的吸附容器的吸附预纯化空气的方法，每个吸附容器包含设置在至少一个吸附床中的至少一块吸附剂，每个吸附循环至少包括下列步骤a)吸附步骤，在该步骤中，在吸附温度(Tads)下，空气沿向心方向流过所述吸附床，存在于所述空气中的至少部分杂质被所述吸附剂的吸附去除，b)再生步骤，在该步骤中，利用再生气体在再生温度(Treg)下冲刷步骤a)中使用的吸附剂而使其再生，其中使得所述再生温度(Treg)大于所述吸附温度(Tads)，所述再生气体沿离心方向流过所述吸附床，以便解吸在步骤a)中吸附的杂质，c)吸附剂冷却步骤，在该步骤中，在步骤b)中再生的吸附剂的温度被降低，其特征在于-在步骤a)中，吸附时间(Tads)在60到120分钟之间，-在步骤b)中，以及可选地在步骤c)中，所述再生气体被引入一个或另一个所述吸附容器中，以便沿离心方向冲刷包含有步骤a)中使用的吸附剂的吸附床，在这些步骤中，再生流量小于或等于吸附流量的35％，并且-在步骤b)中，使用设置在吸附器外部的热交换器来达到所述再生温度。
根据具体情况，本发明所述方法可包含下列一个或多个技术特征-在再生气体被送到要在步骤b)中再生的吸附器之前，使用于加热再生气体的再生加热器以及位于所述加热器与要再生的所述吸附器之间的全部或部分加热回路达到再生温度，-在步骤b)中，选自再生气体的加热时间、温度和流量中的至少一个加热参数是可控的，使得在每个吸附器出口处的最高温度比相应吸附器入口处的温度低至少30％，优选低至少60℃，最好至少低90℃。例如，对于50℃到70℃之间的最高吸附温度，最高的再生入口温度应该在120℃到160℃之间，-在步骤a)中所用的吸附剂至少是一块沸石，优选地至少是一块氧化铝，-在步骤b)中，再生气体是氮气或富含氮气的气体，-它包括使用位于所述吸附器下游的过滤装置过滤生产的气体的步骤，-在步骤b)中，至少一个热交换器被用来加热所述再生气体，并且至少一条旁通回路被设置用作所述热交换器的旁通管道，
-所用吸附剂为无粘结剂的LSX型八面沸石，-再生流量为吸附流量的20％至30％之间，-在步骤a)中，吸附时间(Tads)在90至120分钟之间，-它还包括对净化的气体进行低温蒸馏或分馏的步骤，用于生产氮气、氧气和/或氩气。
具体实施例方式
根据本发明所述，热惯性的降低是通过使用一个或多个放射型吸附器1来实现的，如附
图1所示，附图1示出本发明上下文适用的吸附器1沿轴线A-A的横截面，其中在该放射型吸附器1中，再生气体沿离心方向流动，也就是从吸附器1的中心向外围流动，相反地，将被净化的气体沿向心方向流动，也就是从吸附器1的外围向其中心流动。
更准确地说，将在一定压力下被净化的空气经由位于吸附器1的端部12的第一孔口10引入到吸附器的周向外壁2的一侧，其中吸附器包含放置在吸附床3中的吸附剂，吸附床3为具有中空容积16的圆筒形的三维形状，也就是说，将被净化的空气被送入到吸附剂的吸附床3外部侧向空间8中。
组成吸附床3的吸附剂颗粒被两个侧向的格栅4、5保持住，格栅4、5上打有允许气体通过的小孔，且位于吸附床3的两侧，以维持所述吸附床3的吸附剂颗粒在装置的使用寿命期间处于初始位置。此外，吸附床3被支承在一个平的、凸的或者所需的其它形状的支承结构6上。
沿向心方向流动的空气依次通过格栅5，吸附床3和格栅4以到达吸附器1的中心16。
在吸附阶段，空气流中的杂质在吸附温度下-通常在5℃和大约50℃之间一被吸附到吸附床3上，吸附床3由一块或多块吸附剂组成，且优选包含一层氧化铝和一层沸石，尤其是八面沸石类型，尤其是被金属阳离子交换或没有交换的X或LSX型沸石。所用沸石的类型根据要被去除的杂质来选择。
被净化后的空气在吸附器1的中心16回收，并通过位于吸附器1的顶板11中的第二孔口9导向储藏处或使用处。
经过给定的吸附时间后，吸附器1在高于吸附温度的再生温度下-例如对于氮气来说再生温度为50℃到250℃-通过引入再生气体得到再生恢复，其中再生气体经由第二孔口9引入吸附器1并沿离心方向流过吸附床3，也就是说，它引入到吸附器的中心16然后朝向外壁2流动而冲刷吸附床3，最后经由第一孔口10离开吸附器。
在流经吸附床3的过程中，再生气体装载了从吸附床3上解吸的杂质，这些杂质是在先前的吸附步骤中被吸附到吸附床3上的。
由于采用了这种类型的结构，高温的再生气体不再与每个吸附器1的外轮廓的设计用来机械抗压的壁2接触，并且一个或多个吸附床3上游的内部金属(结构)的质量可以大大减小。
更进一步说，位于吸附器1中心的内部过滤器7的尺寸通过使用例如高度基本上是不具有锥形分布部分的吸附床3的高度的一半的过滤器7而减小，或者该过滤器7可被移到吸附器1的外面，也就是说，通过将其设置在预净化装置的下游从而不被设置在吸附器内部的再生回路上。
或者，如图2所示，为了减小热惯性，可围绕加热器13安装一条旁路14，不论该加热器13是蒸汽型、电力型或其它类型。
这样就可以非常迅速地从加热阶段(用于再生)转换到冷却阶段(用于吸附)，其中温度的变化呈方波型。
类似地，例如通过保持蒸汽入口开启，或更常见地通过维持无论何种类型的加热装置处于适当的水平，并可选地通过在加热器13中以及连接到吸附器1的通路中保持少量的流体流动，使加热管路15能够维持在高温水平。
在每个吸附器1的吸附床3的出口侧，避免过度加热外壁2是很重要的，因为一方面该结构的加热时间已经太长，另一方面冷却的时间也会更长。
为了达到该目的，应该安装能量控制系统以便调节加热量使其严格控制在最小值。例如，如文献EP-A-1080773中所述，可以考虑热前缘(heatfront)在出口处的热曲线以修正基于操作条件做出的估计值。这样，获得的最大出口温度可能远低于吸附器入口处的再生温度。二者之间的差值取决于吸附和再生条件(即温度和压力)，但是通常至少为20℃到30℃。
在这种情况下使用放射型吸附床的另一个优点是将热损失减少到最低，因为在吸附剂加热期间热前缘从内部到外部移动时没有与外壁接触。
与传统方法相比，冷却时间也必须有所限制，尤其因为吸附器配备了内部绝缘装置，该装置减小了通过无用地去加热吸附器的各种金属结构尤其是壁面而导致热量损失的可能性。
具体地说，在吸附阶段，吸附水(蒸气)所产生的热量大大升高了空气的温度(例如10℃的温度变化)，这意味着二氧化碳在空气入口处的温度下没有被吸附，而在吸附水蒸气产生的热量引起的升高后的相应温度下被吸附。
由于热前缘比物质前缘移动得快，这就表明热前缘能够将吸附床冷却到等于或者甚至高于这些温度之和的温度以达到同等性能。实际上，最终的冷却过程就是通过将要被处理的气体本身来实现的。
对吸附剂的不断改进也有助于减小吸附床由于给定杂质吸附量的热容量。因此优选使用专门为这种净化类型开发的吸附剂。当吸附步骤的时间缩短时，传质区也就是气相浓度和吸附相浓度之间没有平衡的吸附剂块的重要性不断增加，并且然后可通过使用等效直径较小的吸附剂来减少传质区的体积。
实际上，因为动力学的局限性本质上是由于大孔隙中的扩散而引起的，所以吸附剂尺寸上的减小也伴随着有利于相平衡的动力学特性的增加。
由于每个吸附剂颗粒直径的平方是影响吸附动力学的一个因素，因此即使直径轻微的减小也会导致动力学特性上的巨大改善。
因此，如本文所述，即使对于快速TSA循环，将直径减小至1到1.5毫米以下通常也没有用。
某些吸附剂由于近来对其进行的研究开发而使其固有的动力学特性也得到了提高，尤其是一种被称作无粘结剂的X型沸石的产品，在同样的颗粒大小分布情况下，发现无粘结剂形式的动力学特性优于传统的有粘结剂形式。
在这种情况下无需减小吸附剂颗粒的直径也能在缩短循环时间的同时保持好的吸附性能。
如上所述，颗粒尺寸和吸附剂几何结构等的选择是装置优化的一部分工作，同时考虑了投资和能量因素。
减小再生气体流量从而缩短循环时间也需要对降压和再增压步骤进行优化。
在再生时期，再生气体的流量可能是不恒定的。例如冷却阶段的流量可以高于加热阶段。这有助于在给定的加热器出口温度下减小加热器功率或在恒定的装机功率(容量)下获得更高的出口温度。流量减小也可只发生在加热末期以便较高的热量峰值经过吸附剂从而获得更好的再生质量。该温度峰值可以高再生气体流量经过吸附剂，这对应于冷却阶段。
为了通过净化的气体的周期性排放缩短这些步骤到最短的时间，并且同时一方面不引起磨损或侵蚀的问题，另一方面不扰乱低温室的操作，阀门与一开启和/或关闭斜坡(ramp)一起使用，并且在位于下游的低温蒸馏装置的低温室侧，使用了一个先进的调节各种液体和气体贮存装置的控制系统以消除或至少平滑流量波动。
这样，与传统作法相反，本发明的方法可用来获得240分钟或更短时间的TSA循环，也就是说吸附阶段为120分钟或更短，而只要求再生气体的流量低于被净化空气流量的35％或者甚至30％，在同等条件下是不允许使用PSA型循环的。
比较示例在采用叠置吸附床的传统TSA循环(在现有的热惯性和反转时间(inversion time)条件下，也就是从大约30分钟的最长周期到15分钟的短周期)与根据本发明的基于图1和图2原理的加速循环TSA装置之间进行比较。
对于所考虑的各种情况，以绝对值形式表示为占要净化空气流量的百分比的再生气体流量显然会受到操作条件、每个相关安装所特有的内部设计准则、采用的工艺、绝缘性能、规划布置、加热器类型等的影响，但是同一比较原理(mechanism)是通用的，并用于说明各种影响。
TSA循环是一个吸附步骤在绝对压力为6bar，温度为25℃时进行的空气净化循环。
下面的表I给出了不同吸附时间下的再生气体流量，表示为占空气流量的百分比(％)。
表I
如表I所示，再生所需要的气体流量(以氮气为例)的显著增加表明当循环时间缩短时热惯性和无效时间占据了很大的比例，因为将循环时间从180分钟减少至60分钟意味着再生气体流量增大约一倍。
实际上，对于如此高的流量，采用PSA循环将比采用TSA循环更有利，但是如前所述也会随之带来其它缺点。
基于表I中的试验C，使用放射型吸附器以及本发明推荐(使用)的加热器的整个旁路(系统)进行试验D。
类似地，基于试验D，通过进一步引入时间缩短30％的过渡步骤-主要是降压步骤(采用放射型吸附器方案使得高气体流量成为可能)，引入文献EP-A-1080773中说明的先进控制系统，以及引入改进的冷却方式-即由于水蒸气的吸附将温度限制在一定温度，来进行试验E。
下表II给出试验D和试验E的结果；给出试验C的结果用于比较。
表II
由此可以看出，对于吸附时间仅为60分钟的循环，其所需的再生气体流量与吸附时间为2到3倍的循环(表I中的试验A和B)所需的流量类似，因此吸附时间比试验A和B缩短了2到3倍。
如上所述，这些流量取决于操作条件，在吸附温度较低或压力较高的情况下，例如如果空气中包含较少的需要解吸的水蒸气时流量会降低。
采用较高的再生温度也可用来减少所需的再生气体流量。
从而本发明的方法证明其对于“短的”或“非常短的”循环即那些分别从120分钟到60分钟的循环是有利的，但是必须指出，本方法对于较长的循环也有利，特别是时间长至180分钟或更多的循环，因为它使得再生气体流量减少并且生产最大数量的净化气体。
“放射型”吸附器工艺-即吸附床以三维圆柱的形式设置-留出了相当大的尺寸设计自由度，因为一方面它避免了最大速度的要求，这使得循环中为流动气体提供的横截面可减小，另一方面，如果希望优选减小压降从而减少能耗，它也允许安装横截面大而壁薄的吸附床。
通过示例，下面的表3中给出了根据本发明的用于在绝对压力为7.5bar、温度为21℃条件下净化高空气流量气体，即流量为860000标准立方米每小时的“放射型”TSA装置的两个尺寸设计示例。
短循环再生气体流量大约是这个流量的30％，或者在150℃的再生温度下，TSA装置出口处的绝对压力为1.05bar。
根据各地不同的能源成本，可以采用下列尺寸中的一组或另一组。
表III
然而，即使对于传统的含有叠置吸附床的吸附器，采用本发明的方法的某些特性，例如将加热器和再生回路提前加热至再生温度，也可用于降低再生气体的流量，并从而对于给定的再生气体流量可缩短循环时间。
然而，在这种情况下，吸附床就必须很薄，并且对于高流量即至少100000标准立方米每小时左右的被净化空气，吸附器很难投入工业化生产并且具有大量的死容积，即它们将成为“奶酪盒”类型的吸附器。在这种情况下，就最好使用球形吸附器或者优选地使用带有水平轴的圆柱形吸附器。
权利要求
1.一种通过使用两个并行、交替并且在TSA循环中操作的吸附容器的吸附预纯化空气的方法，每个吸附容器包含设置在至少一个吸附床中的至少一块吸附剂，每个吸附循环至少包括下列步骤a)吸附步骤，在该步骤中，在吸附温度(Tads)下，空气沿向心方向流过所述吸附床，存在于所述空气中的至少部分杂质被所述吸附剂的吸附去除，b)再生步骤，在该步骤中，利用再生气体在再生温度(Treg)下冲刷步骤a)中使用的吸附剂而使其再生，其中使得所述再生温度(Treg)大于所述吸附温度(Tads)，所述再生气体沿离心方向流过所述吸附床，以便解吸在步骤a)中吸附的杂质，c)吸附剂冷却步骤，在该步骤中，在步骤b)中再生的吸附剂的温度被降低，其特征在于-在步骤a)中，吸附时间(Tads)在60到120分钟之间，-在步骤b)中，以及可选地在步骤c)中，所述再生气体被引入一个或另一个所述吸附容器中，以便沿离心方向冲刷包含有步骤a)中使用的吸附剂的吸附床，在这些步骤中，再生流量小于或等于吸附流量的35％，并且-在步骤b)中，使用设置在吸附器外部的热交换器来达到所述再生温度。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在再生气体被送到要在步骤b)中再生的吸附器之前，使用于加热再生气体的再生加热器以及位于所述加热器与要再生的所述吸附器之间的全部或部分加热回路达到再生温度。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，选自再生气体的加热时间、温度和流量中的至少一个加热参数是可控的，使得在每个吸附器出口处的最高温度比相应吸附器入口处的温度低至少30％，优选低至少60℃。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)中所用的吸附剂至少是一块沸石，优选地至少是一块氧化铝。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，再生气体是氮气或富含氮气的气体。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，它包括使用位于所述吸附器下游的过滤装置过滤生产的气体的步骤。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，至少一个热交换器被用来加热所述再生气体，并且至少一条旁通回路被设置用作所述热交换器的旁通管道。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所用吸附剂为无粘结剂的LSX型八面沸石。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，再生流量为吸附流量的20％至30％之间，和/或在步骤a)中，吸附时间(Tads)在90至120分钟之间。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，它还包括对净化的气体进行低温蒸馏或分馏的步骤，用于生产氮气、氧气和/或氩气。
全文摘要
本发明涉及在加速的TSA循环中预净化空气的方法。在该方法中，每个吸附容器包含设置在吸附床上的吸附剂，每个吸附循环至少包括下列步骤a)吸附步骤，在该步骤中，在吸附温度下，空气沿向心方向流过所述吸附床，存在于所述空气中的至少部分杂质被所述吸附剂的吸附去除；b)再生步骤，在该步骤中，利用再生气体在再生温度下冲刷步骤a)中使用的吸附剂而使其再生，其中使得所述再生温度大于所述吸附温度，所述再生气体沿离心方向流过所述吸附床，以便解吸在步骤a)中吸附的杂质；c)吸附剂冷却步骤，在该步骤中，在步骤b)中再生的吸附剂的温度被降低。吸附的最长持续时间为120分钟，优选为60到120分钟之间。再生气体被注入沿离心方向冲刷包含吸附剂的吸附床。最大的再生气体流量是吸附气体流量的35％。利用设置在吸附器外部的一热交换器达到再生温度。
文档编号B01D53/04GK1812827SQ200480018255
公开日2006年8月2日 申请日期2004年6月18日 优先权日2003年6月27日
发明者C·赫梅吕克, C·莫内罗 申请人:液体空气乔治洛德方法利用和研究的具有监督和管理委员会的有限公司